JP5887281B2 - Multi-beam X-ray system - Google Patents
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Description
典型的なX線分析機器は、X線源と、X線プローブビームを提供するX線光学システムを含む。プローブビームの特性が、機器の特性と能力を決定する。プローブビームの性能パラメータは、空間的定義についての発散、エネルギー定義についてのバンド幅、および与えられた断面についての強度を含む。これらのパラメータは、しかし、1つのパラメータを向上することがしばしばその他のパラメータの性能を低減するので、独立して最適化されることができない。多くのX線プローブビームは、標的原子と加速された電子の間の相互作用から結果としてなる特性的輝線を使用する。光学システムが配送することができるスペクトルは、特定の標的からの利用可能なスペクトルによって制限される。 A typical x-ray analysis instrument includes an x-ray source and an x-ray optical system that provides an x-ray probe beam. The characteristics of the probe beam determine the characteristics and capabilities of the instrument. Probe beam performance parameters include divergence for spatial definition, bandwidth for energy definition, and intensity for a given cross-section. These parameters, however, cannot be optimized independently because improving one parameter often reduces the performance of the other parameters. Many x-ray probe beams use characteristic emission lines that result from interactions between target atoms and accelerated electrons. The spectrum that the optical system can deliver is limited by the available spectrum from the particular target.
X線源とX線光学系における現行の技術は、絶対的平行性、非常に狭いエネルギーバンド幅、可変波長、および非常に高い強度の属性を有する理想的なプローブビームを配送することができない。代りに、異なる特性をもったビームを配送するために異なる光学システムが構築され配列される。異なるX線源デザインとの組み合わせで、光学システムは、異なる機器能力、機能および応用のために要求されるビームを配送する。このアプローチは通常、複数の光学システムと、複数のX線管または複数の標的さえもが関与し、よって管理するのに不便でありコストがかかる。 Current technology in x-ray sources and x-ray optics is unable to deliver an ideal probe beam with attributes of absolute parallelism, very narrow energy bandwidth, variable wavelength, and very high intensity. Instead, different optical systems are constructed and arranged to deliver beams with different characteristics. In combination with different x-ray source designs, the optical system delivers the beams required for different instrument capabilities, functions and applications. This approach typically involves multiple optical systems and multiple x-ray tubes or even multiple targets and is therefore inconvenient and costly to manage.
いくつかのシステムは、異なる波長について多層光学系の曲率を変化させる屈曲機構を含む多層光学系を採用する。そのようなシステムは異なるソースの使用を可能とするが、特定の波長にマッチした曲率を信頼性をもって正確に形成することができる機械的システムは作製することが難しい。加えて、複数の波長で作動するように設計された多層光学系は、各特定の波長について最適化されることができない。 Some systems employ multilayer optics that include a bending mechanism that changes the curvature of the multilayer optics for different wavelengths. While such systems allow the use of different sources, mechanical systems that can reliably and accurately form curvatures that match specific wavelengths are difficult to produce. In addition, multilayer optics designed to operate at multiple wavelengths cannot be optimized for each particular wavelength.
これらの多層光学系システムはまた、各セクションが特定の波長のために設計されている光学系の複数のセクションを含んでいても良い。光学系のセクションは、特定の作動波長が必要となった時に作動位置まで機械的に移動される。しかしながら、これらのシステムは、2次元の場合と関連付けられた問題に対処していない。 These multilayer optics systems may also include multiple sections of optics where each section is designed for a specific wavelength. The section of the optical system is mechanically moved to the operating position when a specific operating wavelength is required. However, these systems do not address the problems associated with the two-dimensional case.
そのような多層光学系システムは更に、各構造が特定の波長のために設計されている構造のスタックとしての複数の多層被膜配置を含む。これらのシステムは利便性と低コストを供するが、全ての特定の波長についてのより低い反射性と、異なる多層被膜構造からの異なるエネルギーにおけるブラッグ反射による高い背景ノイズのために、それらの性能は妥協されたものである。 Such multilayer optical system further includes a plurality of multilayer coating arrangements as a stack of structures where each structure is designed for a specific wavelength. These systems offer convenience and low cost, but their performance is compromised due to lower reflectivity for all specific wavelengths and high background noise due to Bragg reflection at different energies from different multilayer coating structures. It has been done.
対面配置にある2つの2次元光学系を含む2次元システムとしてその他のシステムが採用されてきた。各光学系は、異なるエネルギーまたは波長のために設計される。しかしながら、そのような配置は、性能のために最適である理想的なテイクオフからはるかに離れたソーステイクオフ角において1つまたは両方の光学系を有する。 Other systems have been employed as two-dimensional systems that include two two-dimensional optical systems in a face-to-face arrangement. Each optical system is designed for a different energy or wavelength. However, such an arrangement has one or both optics at a source take-off angle far away from the ideal take-off that is optimal for performance.
同じエネルギーのために設計された光学系の時でさえ、平行ビームおよびフォーカシングビーム構成のような様々なビーム構成の中から構成を素早く変更することの必要があり得る。 Even with optical systems designed for the same energy, it may be necessary to quickly change the configuration among various beam configurations, such as parallel beam and focusing beam configurations.
従って、異なる特性のビームを配送することができるプローブビームシステムが必要である。 Therefore, there is a need for a probe beam system that can deliver beams of different characteristics.
1つの形では、マルチビームX線光学システムは、X線を放射するX線源と、第1の部分と第2の部分をもったハウジングを含む。第2の部分は第1の部分に対して移動可能であり、異なる性能特性の複数の光学系を含む。光学系がX線源からのX線を受け取り、X線を望ましい位置に向かせるように、各光学系が第1の部分に対する第2の部分の動きを通して作動位置に配置される。 In one form, a multi-beam x-ray optical system includes an x-ray source that emits x-rays and a housing having a first portion and a second portion. The second part is movable relative to the first part and includes a plurality of optical systems with different performance characteristics. Each optical system is placed in an operating position through movement of the second part relative to the first part so that the optical system receives X-rays from the X-ray source and directs the X-rays to the desired position.
X線光学システムの恩恵は、向上した機能性、向上した性能、可能とされた機器能力、利便性および低コストを含む。 The benefits of X-ray optical systems include improved functionality, improved performance, enabled equipment capabilities, convenience and low cost.
この発明の更なる特徴および利点は、図面を参照して以下の記載と、この明細書の一部を形成する添付された請求項を精査した後に、当業者には容易に明らかとなるであろう。 Additional features and advantages of the invention will be readily apparent to those skilled in the art after reviewing the following description with reference to the drawings and the appended claims forming a part of this specification. Let's go.
明細書に組み込まれその一部を形成している付随する図面は、本発明のいくつかの側面を描写し、記載と共に、発明の原理を説明する役目を果たす。図中のコンポーネンツは、必ずしも実物大ではなく、代りに発明の原理を描写することに強調が置かれている。しかも、図中で、同様の参照番号は図面全体を通して対応する部分を指し示す。 The accompanying drawings, which are incorporated in and form a part of the specification, depict some aspects of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention. The components in the figures are not necessarily full scale, but instead emphasis is placed on depicting the principles of the invention. Moreover, in the drawings, like reference numerals designate corresponding parts throughout the drawings.
異なる特性をもったビームを配送することが可能なX線光学システムがここに記載される。光学システムは複数の光学系を含み、各光学系は異なる応用の必要に見合うために固有の性能特性を有する。ビーム特性は、平行ビーム光学系やフォーカシング光学系のような空間的定義の変動、CuKα、MoKα、AgKαおよびその他の波長のようなスペクトル差、発散との間の異なるトレードオフ、サンプル上のフラックス、または上記の全てを含んでいても良い。光学システムは、対応する光学系が望ましい光学的経路に機械的に配置された時に特定のビームを配送する。 An x-ray optical system capable of delivering beams with different properties is described herein. The optical system includes a plurality of optical systems, each optical system having unique performance characteristics to meet the needs of different applications. Beam characteristics are spatially defined variations such as parallel beam optics and focusing optics, spectral differences such as CuKα, MoKα, AgKα and other wavelengths, different tradeoffs between divergence, flux on the sample, Alternatively, all of the above may be included. The optical system delivers a particular beam when the corresponding optical system is mechanically placed in the desired optical path.
ここで図1Aと1Bを参照すると、本発明の原理を体現しているマルチビームX線システムがそこに描かれており、10で指し示されている。その主要なコンポーネンツとして、X線システム10は、ハウジング14とカバー16内に囲み込まれた光学システム12を含む。
Referring now to FIGS. 1A and 1B, a multi-beam x-ray system embodying the principles of the present invention is depicted therein and indicated at 10. As its primary component, the x-ray system 10 includes an
マルチビームX線システム10は、特定の光学系を望ましい作動位置に配置するための機構を採用し、それはそこにおいて各光学系が、或る制約内で、その最適化されたテイクオフ角と、設計されたソース−光学系距離と、マッチしたソース焦点スポットおよび光学系焦点と、正しいブラッグ角を有する作動位置として定義される。制約は、全てのビームの設計された遮断ポイントと、意図されたビーム向きおよび位置と、あらゆるその他の望ましい制約を含んでいても良い。図2Aと2Bに示された配置では、光学システム12は、光学系20と22のペアをもった光学エレメント18を望ましい作動位置に配置するための回転式機構を含み、そこで光学系20と22は円形の幾何学的配置に配置され、各光学系20と22が作動位置の内外に配置されるように、光学システム12がその軸の周りを回転させられる。
The multi-beam x-ray system 10 employs a mechanism for placing a particular optical system in a desired operating position, where each optical system is within certain constraints, its optimized take-off angle, and design. Defined working source position, matched source focal spot and optics focal point, and working position with correct Bragg angle. The constraints may include the designed interception points for all beams, the intended beam orientation and position, and any other desirable constraints. In the arrangement shown in FIGS. 2A and 2B, the
光学エレメント18は、システム10がその作動位置にある光学系のために配置された時に、光学系20または22がソース24の意図されたソース焦点スポット26または28とシステム10に粗く揃えられるようなやり方で光学系が揃えられるように、各光学系20と22のための粗いアラインメント機構を有していても良い。代替的にまたは追加的に、光学システム12および光学系20と22は、光学システム12がその作動位置にある望ましい光学系のために配置された時に、光学系が意図されたソース焦点スポットに粗いアラインメントの正確さと精度で予め揃えられているように、作製されている。
The
使用時には、ソース24は、それぞれの光学系22、20においてソース焦点スポット26または28のどちらかからX線を放射し、それは一方でビームを焦点30、検出器、サンプル、またはあらゆるその他の好適な位置においてフォーカスする。特に、図2Aと2Bに示された配置では、回転式ハウジングと呼ばれているハウジング14が、2つのシェル15と17をもった構造を有する(図1B)。内側シェル15は、異なる特性をもった光学系20、22のための複数の位置を提供する。内側シェル15は、光学系20、22のどちらかが予め規定された作動位置に配置されることができるように、外側シェル17に対して矢印19で指し示されたように光学機器12の軸の周りをどちらの方向にも回転されることができる。上に示された通り、各光学系20、22は、それが作動位置に動かされた時に、それぞれのソース焦点スポット28、26と意図された方向または位置に予め揃えられているかまたは粗く揃えられる。各光学系20、22は、それ自体の粗いアラインメント機構を有していても良く、あるいはそれは粗いアラインメント機構の精度で光学システム12中に工場にて設置されることができる。静的な外側シェルは、主要ビーム方向に跨った横方向の平行移動、ブラッグ角アラインメント、およびオプションの主要ビームに沿った平行移動を含み得る、微小なアラインメントのために必要とされるアラインメント運動の全てを提供するアラインメント機構を装備していても良い。
In use, the
代替的に、光学システム12が、主要ビーム方向に跨った横方向の平行移動、ブラッグ角アラインメント、およびオプションの主要ビームに沿った平行移動を含み得る、微小なアラインメントのために必要とされるアラインメント運動の全てを提供するアラインメント機構を装備していることができる。
Alternatively, the alignment required for the micro-alignment where the
図3Aと3Bに示された別の配置は、その全てがハウジング14(図1A)と同様のハウジング中に取り囲まれた、光学系120と122のペアをもった光学エレメント18を矢印132で示されたように前後に外側シェル117に対して望ましい作動位置まで配置するための平行移動機構をもった光学システム112を描いている。光学系120と122は、線形アレイ、あるいはもしより多くの光学系がシステム中に含まれていれば2次元マトリクス、に配列され、特定の光学系が作動位置まで平行移動される。同様に、ソース24は、それぞれの光学系122、120においてソース焦点スポット26または28のどちらかからX線を放射し、それは一方でビームを焦点30、検出器、サンプル、またはあらゆるその他の好適な位置においてフォーカスする。
Another arrangement shown in FIGS. 3A and 3B is shown by an
光学系120、122は、異なる空間的定義または異なるエネルギーのような異なる性質を有する。異なるエネルギーの場合については、光学系120、122は、異なるスペクトルのために採用されることができ、異なるソース焦点スポットに揃えられることができる。各光学系120、122は、光学系がその望ましい作動位置に配置された時に、それぞれのソース焦点スポット28、26と意図された方向または位置に予め揃えられているかまたは粗く揃えられても良い。各光学系120、122は、それ自体の粗いアラインメント機構を有していても良く、あるいはそれは定義された粗いアラインメント機構の精度で工場にて設置されていても良い。ハウジング117は、主要ビーム方向に跨った横方向の平行移動、ブラッグ角アラインメント、およびオプションの主要ビームに沿った平行移動を含み得る、微小なアラインメントのための望ましいアラインメント自由度の全てを提供するアラインメント機構を装備していることができる。
The
代替的に、光学システム112が、主要ビーム方向に跨った横方向の平行移動、ブラッグ角アラインメント、およびオプションの主要ビームに沿った平行移動を含み得る、微小なアラインメントのための望ましいアラインメント自由度の全てを提供するそれ自体のアラインメント構造を装備していることができる。
Alternatively, the
上述した光学的配置は、異なる放射特性をもった2つ以上のソース焦点スポットを形成するために異なる標的材料と共に採用されることができる。各光学系は、特定の標的材料上の特定の焦点スポットに揃えられる。異なる波長をもったビームが、異なる標的焦点スポットを稼動し、ビームを選択するためにスリットを使用することによって配送される。 The optical arrangement described above can be employed with different target materials to form two or more source focal spots with different radiation characteristics. Each optical system is aligned with a specific focal spot on a specific target material. Beams with different wavelengths are delivered by operating different target focal spots and using slits to select the beams.
光学システムは、平行ビームとフォーカスビームのような、同じエネルギーだが異なる空間的特性をもったビームを提供するように設計されても良い。この場合の配置は、同じ標的材料と同じソーススポットを使用する。 The optical system may be designed to provide a beam with the same energy but different spatial characteristics, such as a collimated beam and a focus beam. The arrangement in this case uses the same target material and the same source spot.
光学システムは、いくつかのビームが異なるエネルギーを有し、いくつかのビームが異なる空間的定義のみを有するように、混合された特性をもった複数のビームを配送することができる。この場合には、複数の標的材料とソース放射スポットが採用されることができ、複数の光学系が単一のソーススポットに揃えられることができる。 The optical system can deliver multiple beams with mixed characteristics such that some beams have different energies and some have only different spatial definitions. In this case, multiple target materials and source radiation spots can be employed, and multiple optical systems can be aligned to a single source spot.
前述した配置のいずれにおいても、X線源24は、単一の標的材料または複数の標的材料を有したポイント状ソースである。複数の標的材料をもったX線源(密封されたチューブと回転する陽極の両方)は、各ストリップが異なる標的材料である複数のストリップをもった標的を含むことができる。異なる標的材料と関連付けられたソース焦点スポットは、異なる位置を有することができる。従って、X線光学系は、標的上に異なる焦点スポットをもった、異なる標的材料のために設計されることができる。代替的に、標的は、全ての元素からの特性線の全てを含んだスペクトルを放射する、異なる元素の混合物であることができる。光学系は、作動波長と関係無く同じ焦点スポットを有することができる。
In any of the previously described arrangements, the
X線源24が、ストリップ構造を有する異なる標的材料と共に使われる時には、電子ビームが標的と相互作用するところの望ましい焦点スポットに異なる標的材料が配置されることができるように、ソース24は陰極を含んでも良く、標的は機械的に移動可能であっても良い。電子ビームは、異なる焦点スポットにおいて異なるスペクトルが生成できるように、異なる標的材料に電子的に操られることができる。
When the
特定の配置では、X線源24はポイント状投影を提供し、システム10は、図2Aと2Bに示されたような複数の2次元光学系をもった回転式ハウジングを含む。X線源は、単一の標的を有し、KαやKβのような異なる特性的輝線を配送する。光学系は、平行ビーム、異なる焦点距離をもったフォーカシングビーム、および異なる作動波長(Kα、Kβ、Lα、...)と異なるバンド幅のような異なるスペクトル定義をもったビームのような、異なる空間的定義をもったビームを配送することができる。各光学系は、設計されたビーム特性を配送するために作動位置まで回転されることができる。
In a particular arrangement, the
別の配置では、X線源24は、CrKα/Kβ、CuKα/Kβ、MoKα/Kβおよびその他のような1つまたは複数の標的材料からの放射スペクトルを配送し、システム10は、複数の2次元光学系をもった回転式ハウジングを含む。各光学系は、特定の波長のために採用されるおよび/または特定の特性のセットを有する。単一の標的または異なる標的のX線は、もしそれが単一の標的材料であるかまたは標的が混ぜられた混合物で作られていれば同じソーススポット、あるいはもしソース標的が異なる材料のストラップからなっていれば異なるソースポイント、から放射されることができる。各光学系は、その焦点が意図されたソース焦点スポットに揃えられているように構成されて粗く揃えられており、設計された方向と位置に従ってビームを配送する。回転機構は、円形構造中のあらゆる光学系を作動位置に配置することができる。微小なアラインメント構造は、最適な性能のために光学系を微小に揃えるように、作動位置にある光学系と係合する。
In another arrangement, the
更に別の配置では、X線源24は、CrKα、CuKα/Kβ、MoKα/Kβおよびその他のような1つまたは複数の標的材料からの放射スペクトルを配送し、光学システム10は、線形アレイまたは複数の2次元光学系をもったマトリクスハウジングを含む(例えば、図3Aと3Bを参照)。各光学系は、特定の波長のために構成されるおよび/または特定の特性のセットを有する。単一の標的または異なる標的からのX線は、もしそれが単一の標的であるかまたは標的が混ぜられた混合物から作られていれば同じソーススポット、あるいは複数のソースポイント、から放射されることができる。各光学系は、その焦点が意図されたソース焦点スポットに揃えられているように構成されて粗く揃えられており、望ましい方向と位置に従ってビームを配送する。平行移動機構は、アレイまたはマトリクス中の光学系のいずれかを作動位置に配置する。微小なアラインメント構造は、最適な性能のために光学系を微小に揃えるように、作動位置にある光学系と係合する。
In yet another arrangement, the
X線源24は、異なる材料をもった陽極と、異なるスペクトルを放射する異なるソース焦点スポットを形成するために異なる材料に電子ビームを配送する陰極を含んでいても良い。陰極は、電子ビームを異なる標的材料に操るための電磁気的偏向機構をもった電子銃であることができる。代替的に、陽極は、異なるスペクトルをもったX線を生成するために異なる材料が電子ビームの下に配置されることができるように、再配置可能であることができる。
X-ray
光学系は、多層光学系であることができる。多層光学系は、段階的な多層光学系であり、異なる焦点距離をもったコリメーティング光学系とフォーカシング光学系のあらゆる組み合わせであることができる。 The optical system can be a multilayer optical system. The multilayer optical system is a stepped multilayer optical system, and can be any combination of a collimating optical system and a focusing optical system having different focal lengths.
或る実装では、各2次元光学系は、Kirkpatrick-Baez方式におけるようなシーケンシャルな幾何学的配置か、あるいはその両方の全体が引用によってここに組み込まれる米国特許第6,042,099号と第6,014,423号に記載されたような「サイドバイサイド」の配置のいずれかにある2つの1次元光学系から作られている。2次元光学系は、コリメーティング光学系のための放物面状幾何学的配置かまたはフォーカシング光学系のための楕円体状幾何学的配置を有する、単一反射光学系であることができる。 In some implementations, each two-dimensional optical system is described in US Pat. Nos. 6,042,099 and 6,014,423, which are hereby incorporated by reference in their entirety, either sequentially as in the Kirkpatrick-Baez scheme. Made from two one-dimensional optical systems in either of the “side-by-side” arrangements. The two-dimensional optical system can be a single reflection optical system having a parabolic geometry for collimating optics or an ellipsoidal geometry for focusing optics. .
前述したものおよびその他の実施形態は、以下の請求項の範囲内である。 The foregoing and other embodiments are within the scope of the following claims.
Claims (14)
第1の部分と第2の部分をもったハウジングであって、第2の部分は静的な第1の部分に対して移動可能であり、第2の部分はX線ビームの軸と垂直な2つの方向でビームを条件付けする複数の2次元多層X線光学系を含み、光学系がX線源からのX線を受け取り、異なる性能特性のX線を望ましい位置に向かせるように、各光学系が第1の部分に対する第2の部分の動きを通して作動位置に配置されているものと、を含む、マルチビームX線ビームシステム。 An X-ray source having a different spectrum ;
A housing having a first part and a second part, wherein the second part is movable relative to the static first part, the second part being perpendicular to the axis of the X-ray beam Each optical system includes a plurality of two-dimensional multilayer X-ray optics that condition the beam in two directions, such that the optics receives X-rays from an X-ray source and directs X-rays with different performance characteristics to a desired location. A multi-beam x-ray beam system comprising: a system disposed in an operative position through movement of a second portion relative to the first portion.
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